열전소자를 이용한 차량용 냉방 시스템과 폐열 발전 시스템의 설계 및 성능평가 = Design and performance evaluation on thermoelectric air cooling and power generation systems for vehicles

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The thermoelectricity is mainly based on the Seebeck and the Peltier effect. The seebeck effect is the conversion of heat into electricity and the peltier effect is a temperature difference created by applying a voltage between two electrodes. The thermoelectric air cooling and power generation systems are available environmentally friendly and miniature-sized system today. The purpose of this study is to design and evaluate performance of thermoelectric air cooling and power generation system.
The thermoelectric air cooling system consists of thermoelectric cooler(TEC)s, heat sinks, fan and air flow channel. The TECs were evaluated by developed an evaluation system. The thickness of thermoelectric air cooling system was 15 mm. When the system was tested in the insulating chamber (250 mm×250 mm×250 mm), time to be cooled down from 45 ℃ to 26 ℃ was 518 seconds. As the result of practical test in the automobile installed the system, the temperature difference between only HVAC(Heating, ventilation, air conditioning) and HVAC with thermoelectric air cooling system was 2.3 ℃.
The thermoelectric power generation system is composed of thermoelectric generator (TEG) and heat sink. The power generation system was installed on the heat protector for vehicles. Heat protector can protect components and bodywork from heat damage. The temperature difference between exhaust gas pipe and air is key issue to increase efficiency of power generation system. The results showed that the maximum output power of 3.37 W was obtained at △T=170 ℃.

국문 초록 (Abstract)

열전은 열 에너지와 전기 에너지의 상호 변환이 가능하며, 양단에 온도차를 주면 전기가 생성되는 제벡 효과(Seebeck effect)와 전기를 인가하면 양단에 온도차가 생기는 펠티어 효과(Peltier effect)를 기본원리로 한다. 이러한 열전소자를 이용한 냉방 시스템과 폐열 발전 시스템은 오늘날 친환경적이며 소형화 가능한 시스템이다. 본 연구에서는 열전소자를 이용한 냉방 시스템과 폐열 발전 시스템을 설계 및 제작하였고, 시스템의 성능을 평가하였다.
열전 냉방 시스템은 차량의 천정에 설치하여 뒷좌석 승객에서 시원함을 보다 빨리 제공하기 위함이 목적이다. 열전 소자의 성능을 자체적으로 평가하여 최적의 열전소자를 선정하였고, 두께 제한으로 인한 히트 싱크(Heat sink)와 팬(Fan), 유로의 열 설계가 중요하다. 최종적으로 두께가 15 mm인 차량용 냉방 시스템을 제작하였고, 250 mm×250 mm×250 mm의 단열공간의 온도가 45 ℃에서 26 ℃가 되기까지 518초가 소요되었다. 또한 차량 천정에 장착하여 실차 평가를 한 결과, HVAC(Heating, ventilation, air conditioning)만 작동하였을 때보다 2.3 ℃만큼 온도가 더 감소하였다.
차량의 배기관에서 발생하는 폐열을 전력으로 변환하는 열전 발전 시스템을 설계 및 제작하였다. 배기관의 열을 차단시켜주는 히트 프로텍터(Heat Protector)에 열전 발전시스템을 부착하여 발생하는 온도차로 전력을 얻는다. 결과적으로 온도차가 약 170 ℃일 때, 열전 발전 시스템의 최대 발전량은 3.37 W 임을 보였다.

목차 (Table of Contents)

• 1 . 서론 1
• 1.1 연구 배경과 필요성 1
• 1.2 연구동향 3
• 1.3 연구 목적 및 내용 13
• 2 . 열전소자를 이용한 차량용 냉방 시스템 14
• 2.1 열전소자의 냉각 성능 평가 14
• 2.2 차량용 냉방 시스템 설계 30
• 2.3 차량용 냉방 시스템 제작 36
• 2.4 실차에서의 차량용 냉방 시스템의 성능 평가 45
• 3. 열전소자를 이용한 차량용 폐열 회수 발전 시스템 51
• 3.1 열전소자의 발전 성능 평가 51
• 3.2 열전 발전 시스템 설계 및 제작 63
• 3.3 열전 발전 시스템 성능 평가 66
• 4. 결론 69
• 5. 향후 계획 71
• 참고문헌 72